基于運行可靠性的車載液壓缸結構設計

劉明生，鄭攀（內江職業技術學院電氣工程系，四川內江641100）

基于運行可靠性的車載液壓缸結構設計

劉明生，鄭攀
（內江職業技術學院電氣工程系，四川內江641100）

車載液壓缸作為液壓傳動系統關鍵零部件之一，其動作可靠性直接影響液壓系統工作性能好壞。從液壓缸可靠性設計出發，分析了影響車載液壓缸運行可靠性的主要因素，并在簡要介紹車載液壓缸組成結構的基礎上，對液壓缸的主要結構參數進行了設計與強度校核。

液壓缸；可靠性；速度－負載特性；結構設計

0　前言

液壓缸作為液壓傳動系統的執行元件，以液壓油為傳遞能量的介質，將液壓能轉變為機械能，驅動機械元件做直線往復運動或回轉運動。在同等輸出功率條件下，液壓缸重量輕、慣性小、集成度高且力矩大，方便過載保護設計，運動系統能自行潤滑。

液壓缸主要由活塞、活塞桿、活塞導向套及端蓋等部分組成。各零部件結構參數的合理性直接影響液壓缸整體運行性能。液壓缸缸體強度、剛度及工作穩定性決定了液壓傳動系統的工作性能、可靠性及使用壽命。

液壓缸的結構設計缺陷將導致液壓缸爆裂、扭曲及斷裂，造成一系列的經濟損失。因此，液壓缸的結構分析與合理設計，對提高液壓傳動系統工作性能具有重要意義?；谏鲜龇治?，本文對25MPa壓力等級液壓傳動系統車用液壓缸各結構參數進行了計算與校核，滿足了使用要求。

1　車載液壓缸的典型結構

車載液壓缸典型結構如圖1所示。由圖可知，其主要由缸體組件、活塞組件、密封裝置、緩沖裝置和排氣裝置等五部分組成。

圖1　車載液壓缸結構圖

2　影響液壓缸運行可靠性的因素分析

2.1液壓缸的速度-負載特性

由液壓缸組成的液壓回路多種多樣，下面以圖2所示的進油路節流調速回路為例來分析液壓缸的速度-負載特性。

圖2　進油路節流調速回路

液壓缸在穩定工作時，其受力平衡方程式為：

其中：p1——液壓缸進油腔壓力；

p2——液壓缸回油腔壓力；

F——液壓缸的負載；

A1、A2——液壓缸有效工作面積。

由于回油腔通油箱，p2視為零，則有：

設液壓泵的供油壓力為pp，則節流閥進出口的壓差為：

由小孔流量公式知，流經節流閥進入液壓缸的流量為：

其中：C——節流閥系數，視為常數；

AT——節流閥過流截面積；

?——節流閥指數。

故液壓缸的運動速度為：

由式（5）可知，當AT一定時，隨著負載F的增加，節流閥兩端壓差減小，活塞的運動速度v按拋物線規律下降。通常負載變化對速度的影響程度用速度剛度Tv表示。則有：

由式（5）、式（6）可求得速度剛度為：

由此可見，當AT一定時，負載F越小，速度剛度越大；當負載F一定時，AT越小，速度剛度越大；適當增大A1和pp可提高速度剛度[1]。

2.2缸體的強度參數的影響

液壓缸的受力狀態是相當復雜的，常因疲勞破壞而發生失效。目前的強度分析主要根據彈性強度理論，對于大型厚壁長行程液壓缸的強度主參數，主要體現在缸筒厚度的計算，其等效為等厚度受均勻分布內壓的厚壁圓筒液壓缸體。如圖3所示。

圖3　液壓缸體受力狀態圖

液壓缸缸筒分為薄壁和厚壁兩類．當缸筒壁厚與缸內徑比δ∕D1≤0.1時，為薄壁缸筒；當缸筒壁厚與缸內徑比δ∕D1>0.1時，為厚壁缸筒。壁厚計算公式如下：

（1）薄壁型缸筒：

（2）厚壁型缸筒：

其中δ——缸筒壁厚（mm）；

[σ]——需要應力（MPa），[σ]=σb/n；

σb——缸筒材料抗拉強度（MPa）；

n——安全系數，根據經驗一般取n=5；

pN——液壓系統額定工作壓力（MPa）；

p——液壓缸試驗壓力（MPa）；

K——系數。

當PN≤16 MPa時，K=1.5，p=1.5pN；pN>16MPa時，K=1.25，p=1.2 pN。

（3）缸筒壁厚的校核

因液壓系統工作壓力為25MPa，要求缸筒有足夠厚度以防止液壓缸發生形變或爆裂。為了保證安全，液壓系統額定工作壓力應低于一定極限值[2]。

其中：σs——缸筒材料屈服點（MPa）；

D1——缸筒外徑（mm)；

D2——缸筒內徑（mm）。

為避免發生塑性形變，額定工作壓力應與完全形變壓力有一定的比例范圍：

其中：prL——使缸筒發生完全塑性形變的壓力（MPa）。

缸筒的爆裂壓力PE應遠遠超過耐壓試驗壓力pr=1.5pN，其計算公式為：

2.3活塞桿強度的影響活塞

桿一般都設計有螺紋、退刀槽等結構，這些部位往往是活塞桿上的危險截面，為保證其強度，還需按下式進行計算[3]：

其中：F2——活塞桿拉力（N）；

d2——危險截面直徑（mm）。

2.4液壓缸的動態主參數

液壓缸動態平穩性的主參數是固有頻率的計算和校核，其值的確定直接決定了負載運動的加、減速度。通過對液壓缸系統進行近似的線性系統分析建模，如圖4所示，即可按式（15）求出液壓缸系統的固有頻率[4]：

2.5緩沖裝置的結構參數的影響

在實際的設計生產中，要想保證緩沖結構能夠正常穩定地工作。就必須保證活塞桿和缸筒之間有良好的同軸度。要想保證這個同軸度，就必須保證好活塞桿和缸筒分別與前后端蓋、活塞的間隙配合及各部件的形位公差。在實際的生產應用過程中，由于受到設計、加工、裝配及使用等各種因素的影響，這一同軸度很難得到保證，這就導致了液壓缸在使用過程中常常出現問題。為此，文獻[5]介紹了一種比較實用的液壓缸緩沖結構——浮動緩沖裝置。該裝置通過在缸頭和缸底兩端分別設置緩沖裝置來補償在生產使用過程中造成的偏心，同時受活塞桿和缸筒同軸度的影響很小，且工作可靠，使用壽命長，緩沖效果好，在設計制造過程中也很容易實現。

3　車載液壓缸結構參數設計

3.1液壓缸缸筒的設計與計算

設計液壓缸缸筒時，應正確確定各部分的尺寸，以保證液壓缸有足夠的輸出力、運動速度和有效行程，同時還必須具有一定的強度，能足以承受液壓力、負載力和意外的沖擊力[6]。

（1）液壓缸工作壓力的確定

液壓缸工作壓力的確定，應能滿足液壓設備工作時對對動力提出的要求，同時，能安全、可靠地進行工作。本設計采用類比選定法，確定車載液壓缸工作壓力pN為25MPa，液壓缸承受的最大負載為50 kN，缸筒材料的許用應力[σ]=150MPa。

圖4　系統模型

（2）液壓缸內徑D1和活塞桿直徑d的確定

（3）缸筒壁厚計算及校核

根據公式（9）計算得：

δ=0.5D1?=56mm，說明選用厚壁公式計算壁厚符合要求?？紤]磨損、腐蝕、壽命等因素，圓整后取缸筒壁厚δ=60mm。

3.2活塞桿強度校核

由于活塞桿穩定工作時只承受軸向載荷，因此按強度條件進行校核：

其中，F－液壓缸活塞桿上的推力（kN）；

[σp]——活塞桿材料的許用應力（Pa），

σs——活塞桿材料屈服強度（MPa)，活塞桿材料一般選用合金鋼，σs=390MPa，此處取n=5。

由前文計算知d=90mm，可以滿足使用要求。

3.3螺紋聯接強度校核

車載液壓缸中有許多螺紋連接的結構，如缸蓋與缸筒、活塞桿與耳環聯接、活塞與活塞桿聯接等，均采用了螺紋聯接結構。螺紋強度校核公式[7]有：

其中：F——液壓缸最大載荷；

K——螺紋預緊系數，K=1.5；k1——螺紋升角與摩擦角系數，K1=0.12;

d、d1——分別是螺紋外徑和螺紋內徑；

z——螺栓個數，此處取z=4，根據螺栓預緊力表，初選為M12，強度等級為10.9級的主連接螺栓；

[σ]——材料許用應力；

σs——螺栓材料的屈服強度，螺栓材料選用40Cr，σs=900MPa；

n——安全系數，取n=1.5。

經校核，4個強度等級為10.9級M12螺栓可以滿足使用要求。

4　結論

本文對影響車載液壓缸運行可靠性的因素進行了分析，并對液壓缸的主要結構參數進行了計算與校核，結果表明，要保證車載液壓缸運行的可靠性，除了合理設計液壓缸的結構參數外，還必須通過建立復雜的數學模型，比較精確地計算液壓缸正常工作時的固有頻率。

［1］劉忠偉.液壓與氣壓傳動［M］.北京：化學工業出版社，2005.

［2］劉曉明，葉瑋.液壓缸結構特性設計與運行特性分析［J］.液壓氣動與密封，2013，33（7）：17-21.

［3］臧克江.液壓缸［M］.北京：化學工業出版社，2009.

［4］張宏洲.大型液壓缸的強度和動態主參數的分析和研究［J］.機械制造，2013，51（6）：9-11.

［5］王娜，許亮.一種實用型液壓缸緩沖裝置設計與分析［J］.機電信息，2013（18）：129-131.

［6］張利平.液壓氣動系統設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，1997.

［7］郝靜如，米潔，李啟光.機械可靠性工程［M］.北京：國防工業出版社，2011.

(編輯：向飛)

Vehicle Hydraulic Cylinder Structure Design Based on Reliability

LIUMing-sheng，ZHENGPan
（Neijiang Vocational&TechnicalCollegeof Electrical Engineering，Neijiang641100，China）

As one of the key parts of vehicle hydraulic cylinder hydraulic system，the operation reliability directly influences theworking performance of the hydraulic system is good or bad.From the point of view of reliability design of hydraulic cylinder，analyzes themain factors that influence the operation reliability of the vehicle hydraulic cylinder，and the composition of vehicle hydraulic cylinder are introduced briefly in the paper，themain structuralparametersof thehydraulic cylinder for the design and strength check.

hydraulic cylinder；reliability；velocity load characteristic；structure design

TH137.51

A

1009－9492(2015)04－0064－04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.04.017

2014－10－18

劉明生，男，1966年生，重慶人，大學本科，副教授。研究領域：材料成型及控制工程，液壓系統節能設計。已發表論文20篇。